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这颗恒星并非银河系,巡天的银河系和恒星形成与演化研究

类似银河系的大型星系被认为是通过并合矮星系形成的,但相比银河系中众多的“土著”恒星,天文学家对银河系中有多少恒星是来自于矮星系的“外来移民”以及它们具有什么样的特征仍知之甚少。近日,基于我国重大科技基础设施LAMOST(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜)提供的海量光谱数据,中国科学院国家天文台赵刚、邢千帆研究组与日本合作团队发现了一颗重元素(包括银、铕、金、铀等)含量超高、而α元素(包括硅、钙和钛等)含量异常低的贫金属星。研究团队对比发现这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星,表明这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是银河系并合事件确切和可靠的化学证据。相关研究成果于2019年4月29日在线发表在《自然·天文》(Nature
Astronomy)上。该类型恒星的发现为研究银河系的并合历史提供了基于恒星化学成分识别的理想示踪体,将促进天文学家对星系形成和演化的认识。

银河系的形成与演化是个令人着迷的科学问题。天文学界此前认为,银河系是通过不断“吞并”附近的矮星系壮大的。近日,一项新发现为银河系“吞并”矮星系提供了新证据。

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LAMOST是一台大视场、多光纤的光学天文望远镜,是世界上光谱获取率最高的望远镜。2019年3月,LAMOST向国内天文学家和国际合作者正式发布了7年的光谱巡天数据,包括
4902 个观测天区、1125 万条光谱,
成为世界上第一个获取光谱数突破千万量级的光谱巡天项目。

中国科学院国家天文台领导的中日合作研究团队,首次在银河系发现了一颗奇特的恒星。研究团队通过分析其“DNA”发现,这颗恒星并非银河系“原住民”,而是被银河系吸入瓦解的矮星系的“外来移民”。

来自矮星系的亚巨星。《中国国家天文》/绘图

自2016年起,国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”
重点专项便为天文学家依托LAMOST及其光谱巡天数据开展科学前沿研究提供支持。特别是“大科学装置前沿研究”
重点专项于2019年设立“基于LAMOST
巡天的银河系和恒星形成与演化研究”、“基于LAMOST
巡天的类太阳恒星活动物理研究”和“基于LAMOST
巡天的系外行星系统研究及观测搜寻”等3项优先支持方向,重点支持天文学家利用LAMOST
海量光谱数据的优势,研究大批量恒星的统计性质,寻找特异天体进行细致研究并检验现有恒星演化理论;研究银河系盘和晕的结构、运动、化学成分及演化历史;探测暗物质分布;研究银河系星际介质的分布和物理性质;诊断类太阳恒星活动特征,揭示类太阳恒星的总体活动规律;对大样本的系外行星系统进行精确刻画,搜寻系外行星系统,研究行星系统的形成理论和动力学演化。随着
LAMOST 光谱巡天的继续开展及光谱数据的持续公开发布,更多的天文学家将利用
LAMOST
光谱数据在各个天文领域开展不同尺度的研究,推动人类进一步认识宇宙。图片 2

据介绍,这一研究发现,为银河系“吞并”矮星系提供了确切可靠的化学证据,将加深人类对星系形成和演化的认识。研究成果于北京时间4月30日获国际权威学术期刊《自然·天文》(Nature
Astronomy)在线发表。

中新网北京4月30日电
中国科学院国家天文台30日在北京宣布,基于中国国家重大科技基础设施——郭守敬望远镜(大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,英文缩写LAMOST)巡天数据最新发现并研究证实,银河系内一颗重元素含量超高的恒星起源自被银河系瓦解并合的矮星系。这一被天文学家形象称为确认是银河系“外来移民”的恒星,是国际上首次在银河系中发现的低镁重元素超丰恒星。

图 来自矮星系的亚巨星(《中国国家天文》绘)

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新发现的银河系“外来移民”示意图。 中国国家天文绘制

中科院国家天文台副台长、LAMOST运行和发展中心主任、成果论文通讯作者赵刚研究员发布成果。
孙自法 摄

破解“身世”之谜

由中科院国家天文台副台长、LAMOST运行和发展中心主任、成果论文通讯作者赵刚研究员领导中日合作研究团队完成的这项重大天文发现及研究成果,已于北京时间当天凌晨获国际权威学术期刊《自然·天文》(Nature
Astronomy)在线发表。

银河系这样的大型星系通常被认为是并合矮星系形成的。然而银河系中有多少恒星来自矮星系?这些恒星具有什么样的特征?天文学家对此仍知之甚少。

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依托LAMOST望远镜提供的海量光谱数据,中国科学院国家天文台领导的中日合作研究团队,在银河系晕内发现了一颗距离地球约2.2万光年的特殊恒星。

中科院国家天文台副台长薛随建主持成果发布新闻通气会。 孙自法 摄

这颗恒星是如何被注意到的?论文第一作者、国家天文台助理研究员邢千帆介绍,郭守敬望远镜获取了数百万颗恒星的光谱,研究人员测量了其中数十万颗恒星镁元素的含量,从中发现了100多颗镁元素含量低的恒星。

赵刚介绍说,研究团队利用LAMOST现已突破千万量级的光谱巡天数据,在银河系晕中发现了一颗快中子俘获过程元素含量超高的特殊恒星,其化学成分明显异于银河系的晕族恒星,却与银河系近邻矮星系中的恒星极为相似。

邢千帆进一步解释,恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。恒星光谱就像是恒星的DNA,通过光谱,天文学家可以确定恒星的光度、温度、化学组成等,破解这颗恒星的“身世之谜”。

研究团队通过进一步分析基于日本国立天文台8米昴星团望远镜拍摄的高分辨率光谱,精确测量了该颗特殊恒星的24种化学元素含量,发现其铕相对于铁的比率是太阳的10倍多,但镁元素以及其他阿尔法元素(包括硅、钙和钛等元素)的含量异常低,仅为同类恒星的五分之一。研究发现该恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明确了该恒星源自被银河系瓦解的矮星系,并揭示了该恒星重金属元素含量超高的形成机制,是在其原属矮星系经历了极为罕见的中子星并合之后形成。

与其他恒星不同的是,这颗恒星的快中子俘获过程元素含量超高。邢千帆解释,比铁重的元素我们习惯称之为重元素,快中子俘获过程是重元素产生的重要机制之一。“像人们熟知的金、银、制造原子弹所用的铀、被称为最稀有元素的铕,都属于快中子俘获过程元素。”

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简单来说,这颗恒星的银、铕、金、铀等重元素含量非常高。尤其是铕含量,大大超出银河系中普通恒星的平均值,目前在银晕中仅发现30多颗该类型恒星。

成果论文第一作者、中科院国家天文台助理研究员邢千帆博士介绍最新发布成果亮点。
孙自法 摄

“一高一低,两个特点集合在一颗恒星上,这是非常新奇的。这也是国际上首次在银河系中发现低镁的重元素超丰恒星。”邢千帆说。

赵刚表示,这项发现及研究成果,为银河系并合事件提供了确切和可靠的化学新证据,快中子俘获过程元素超丰的化学特征也将成为识别银河系“外来移民”的新线索。

寻找“吞并”证据

成果论文第一作者、中科院国家天文台助理研究员邢千帆博士指出,类似银河系这样的大型星系被认为是通过并合矮星系形成,但此前天文学家对银河系中有多少恒星来自于矮星系以及这些恒星具有什么样的特征仍知之甚少,而恒星很大程度上保留了它诞生时所处环境的化学成分,通过分析恒星的化学成分可以追溯它们的起源。

“镁元素含量低,我们已经可以基本判定它来自矮星系。”邢千帆解释,同时这颗恒星的其它α元素(包括硅、钙和钛等元素)的含量也异常低,仅为银河系中普通恒星的五分之一,而具有类似化学成分的恒星在银河系近邻矮星系中普遍存在。

中科院国家天文台研究团队依托LAMOST巡天提供的海量光谱数据,在银晕内发现目前已知铁含量最高的快中子俘获过程元素超丰恒星,后续通过与日本国立天文台科研人员进行8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,证实该颗重元素含量超高的恒星起源自被银河系瓦解并合的矮星系。

为了完全确认这一结论,研究团队基于8米光学望远镜高分辨率光谱联合观测,确定了这颗恒星中24种元素的含量,并与矮星系恒星和银晕中的场星进行了细致比较。

邢千帆表示,这颗恒星的发现首次揭示了银河系内快中子俘获过程元素超丰恒星的吸积起源,为银河系并合矮星系提供了清晰的证据,显示银晕中的快中子俘获过程元素超丰恒星极可能全部来自于瓦解的矮星系,同时为中子星并合是快中子俘获过程发生的主要天体物理场所提供了证据支持。该成果将为研究银河系的并合历史提供理想的示踪体,并加深人类对星系形成和演化的认识。

对比发现,这颗恒星的化学成分与矮星系恒星高度吻合,明显不同于银河系的晕族恒星。这意味着,这颗恒星来自于被银河系瓦解的矮星系,是银河系并合事件的可靠化学证据。

邢千帆说,天文学家们一直在努力寻找矮星系被银河系“吞并”的证据,这项工作在这方面取得了实质性研究进展。

此外,进一步分析显示,这颗恒星是在其原属的矮星系经历了极为罕见的中子星并合事件之后形成的。邢千帆称,关于快中子俘获过程元素的来源,之前有两种猜测,一种认为是超新星爆发产生的,一种认为是中子星并合产生的。作为一颗重元素含量超高的恒星,它的发现也为中子星并合是快中子俘获过程元素的主要来源提供了证据支持。

银河系还会继续变大吗?

银河系包含有数千亿颗恒星,它是如何形成和演化的?邢千帆介绍,银河系是通过矮星系并合形成的,矮星系是光度最弱的一类星系。最初,小型星系与气体云聚集在一起并融合形成了原始雏形的银河系。银河系的气体云中又诞生了新的恒星,这种类似于“开疆元老”的恒星被认为是银河系“原住民”。

当银河系成长为大型星系后,处于演化阶段时再吞并的矮星系被认为是“外来移民”。

当矮星系的轨道与银河系较为接近甚至相交时,面对银河系的强大引力,尽管矮星系不断挣扎,终究逃脱不了被银河系瓦解、吞并的命运。矮星系的原有恒星最终“投奔”了银河系。“最着名的是人马座星流,银河系正在与人马座矮星系发生并合。”邢千帆称,另外,仙女座星系正在靠近银河系,有研究人员预言它们会发生碰撞并合,形成一个更大的椭圆星系。

邢千帆说,目前银河系周围已发现了数十个幸存的矮星系,所以银河系还将通过并合矮星系而增大。不过,无论是银河系吞并矮星系,亦或是与其他星系并合,都不会对地球造成大的影响。“恒星间的距离远大于它们的大小,星系碰撞并合并不是恒星真的发生碰撞。”

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郭守敬望远镜。图片来源:国家天文台网站

口径最大 LAMOST可同时观测4000个天体

在位于河北省的中国科学院国家天文台兴隆观测站,一座巨大的白色建筑斜架在燕山主峰南麓,指向天空,这就是新类型的大视场兼备大口径望远镜——LAMOST。

LAMOST,是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜的英文缩写(The Large Sky
Area Multi-Object Fiber Spectroscopic
Telescope)。作为国家重大科学工程,LAMOST于2001年9月开工,造价2亿3500万元。2010年4月,它被正式冠名为“郭守敬望远镜”。

LAMOST的建成,突破了天文望远镜大视场与大口径难以兼得的难题,成为目前国际上口径最大的大视场望远镜,可同时观测4000个天体。

2012年9月,LAMOST正式进入科学巡天阶段。目前已获取数百万颗恒星的光谱,帮助天文学家对银河系恒星进行“人口普查”,发现那些源自矮星系的恒星,为研究银河系中外来恒星的占比、空间分布、运动学特征提供数据支持。

去年6月,LAMOST完成了七年的巡天,成为世界上第一个获取光谱数超千万的光谱巡天项目。今年3月,LAMOST交出七年巡天“作业”,包含先导巡天及前六年正式巡天的DR6数据集,正式对国内天文学家和国际合作者发布。目前,中国、美国、德国、比利时、丹麦等国家和地区的124所科研机构和大学的用户正在利用这些数据开展研究工作,探索宇宙奥秘。

新京报记者 张璐 编辑 陈思

校对 危卓

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